基于主成分分析的木薯抗旱栽培措施的綜合評價

蘇必孟 劉子凡 黃潔 朱燕來 魏云霞

摘 要 研究4種栽培措施在中度水分脅迫條件下的綜合抗旱效果。木薯苗期干旱脅迫7 d后，測定干旱脅迫和正常供水條件下木薯的干物率、根冠比、葉片相對含水量、質膜透性、葉綠素、類胡蘿卜素、可溶性糖、脯氨酸、可溶性蛋白含量，并對上述指標的抗旱系數(shù)進行主成分分析與綜合評價。結果表明：前3項主成分的累積方差貢獻率可反映原信息量的87.47%，不同處理的主成分分析綜合得分排序為：2%石灰水浸種（0.773）>施用保水劑（0.687）>種莖蠟封（0.477）>CK（0.249）。

關鍵詞 木薯；水分脅迫；抗旱性；主成分分析

中圖分類號 S533 文獻標識碼 A

Abstract The effect of drought resistance for 4 treatments was analyzed under moderate stress conditions in the paper. Content of dry matter， root to top ratio（R/T ratio）， leaf relative water content， membrane permeability， chlorophyll， carotenoid， soluble sugar， proline and soluble protein content were measured at 7th day after drought stress and the drought-resistance effect of 4 treatments were analyzed by principal component analysis and comprehensive evaluation. The results showed that the cumulative variance contribution rate of three principle components were reflected the 87.47% of the original information. And the comprehensive score of principal component analysis in 4 treatments were as follows： 2% of limewater soaked（0.773）> application of super absorbent polymers（0.687）> stem wax（0.477）> CK（0.249）.

Key words cassava； water stress； drought resistance； principal component analysis

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.02.001

木薯（Manihot esculenta Crantz）是糧食、能源和飼料兼用作物，是世界熱帶農(nóng)業(yè)的重點發(fā)展對象[1]。目前木薯基本上都種植在丘陵旱地上，由于土壤保水能力差、自然降水不均衡、水利設施不發(fā)達等原因，加之每年出現(xiàn)的不同程度冬旱和春旱，導致木薯出苗率低、生長發(fā)育遲緩、木薯的產(chǎn)量和品質下降[2-3]，降低了木薯的經(jīng)濟效益，嚴重制約了木薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，探求高效簡易的抗旱栽培技術是提高木薯產(chǎn)量、增加其經(jīng)濟效益、促進木薯產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

化學藥劑處理具有簡便、實用和易于推廣應用的優(yōu)點。在種莖下種之前使用一些化學制劑進行浸泡或土壤處理，能夠提高作物的出苗率、幼苗的成活率和作物的產(chǎn)量。前人就石灰水浸種、施用保水劑、蠟封種莖等[4-7]化學藥劑處理措施提高木薯抗旱能力進行了相關研究，但均集中在單一栽培措施的分析比較，而對木薯抗旱栽培措施的綜合比較與評價上仍是空白。

利用主成分分析進行綜合比較與評價可使結果更客觀、更可靠[8]。該分析方法可從原始指標中抽提出更少的幾個不相關的新指標，來解釋原始指標里所包含的信息[9]，在作物多指標耐旱性分析中應用廣泛[10-13]。本研究設4種木薯抗旱栽培措施，于木薯苗期干旱脅迫第7天，測定木薯的干物率、根冠比、可溶性蛋白含量等9個指標，并對其進行主成分分析，選出最佳抗旱栽培措施，為木薯抗旱高產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

木薯品種為華南8號，由中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院熱帶作物品種資源研究所提供；石灰為市場上購買的熟石灰；保水劑為北京漢力森新技術公司提供的BJ-2101XL型保水劑，主要成分為聚丙烯酞胺-丙烯酸鉀共聚交聯(lián)物；液體石蠟為南昌華鑫醫(yī)藥化工有限公司的輕質液體石蠟；復合肥為洋豐牌復合肥[w（N） ∶ w（P2O5） ∶ w（K2O）=10 ∶ 6 ∶ 9]，市售。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 試驗于2015年3～6月在海南大學農(nóng)科基地大棚進行。設4種栽培措施，分別是：（1）浸種，2%石灰水溶液浸種24 h[2]； （2）蠟封，捏住種莖下端（基部），將種莖上端（頂部）浸入液體石蠟中約1 cm深，待其成蠟膜[6]； （3）保水劑，種植盆先裝一半（7.5 kg）過篩土，在面上撒施保水劑1 g，然后再裝另一半過篩土[2]； （4）CK，種莖不做任何處理。種莖在盆中平放種植，每處理40盆；種植盆規(guī)格為30 cm×25 cm，每盆均裝與50 g復合肥混合均勻的過篩土15 kg。2015年3月12日種植，待苗長到5片葉時，各處理均取20盆進行正常供水；另外20盆進行中度水分脅迫，采用稱重法控水，使盆土含水量維持在土壤田間持水量的45%～55%[14]。

1.2.2 測定指標及方法 干旱脅迫7 d后，隨機選取各處理3盆，采倒二或倒三的完全展開葉，進行生理指標測定。

葉片相對含水量采用稱重法[15]測定，葉綠素含量、類胡蘿卜素含量采用80%丙酮萃取法[16]測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250染色法[16]測定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法[17]測定，脯氨酸含量采用茚三酮溶液顯色法[17]測定，相對電導率采用電導率儀[18]測定。

另外，各處理均取10盆進行木薯地上部干重和地下部干重的測定，按下列公式求出總干物質重、根冠比及各指標的抗旱系數(shù)DRC。

總干物質重=地上部干重+地下部干重

根冠比=地下部干重/地上部干重

DRC=×100%

其中，式中正常供水區(qū)測定值為相應指標正常供水區(qū)測定值3次重復的平均值。

1.3 統(tǒng)計分析

1.3.1 各評價指標抗旱系數(shù)的標準化 在評價過程中，不同指標間的量綱可顯著影響主成分分析的結果，因此在分析前有必要對所選指標的抗旱系數(shù)做標準化無量綱處理[19]。按公式（2）對各指標的抗旱系數(shù)進行標準化。

式中，Xij為標準化數(shù)據(jù)，xij為第i個評價對象的第j項評價指標的抗旱系數(shù)，maxxij和minxij分別第j項評價指標抗旱系數(shù)的最大值和最小值。

1.3.2 主成分分析及綜合評價 用SAS軟件對不同處理的各項指標抗旱系數(shù)進行新復極差法及主成分分析[20]，最后對4種不同栽培措施的木薯苗期抗旱性強弱進行綜合評價。

2 結果與分析

2.1 各單項指標的抗旱系數(shù)及其簡單相關分析

作物抗旱性是受多基因控制的復雜數(shù)量性狀，各抗旱指標間存在著一定的相關性[21]；由單一的指標鑒定出來的結果都可能是片面和不客觀的[22]。在本研究中，不同單項指標的抗旱系數(shù)呈現(xiàn)出顯著或極顯著差異，且不同處理的各單項指標抗旱系數(shù)的變化幅度還不盡相同（表1），因此，若僅用不同單項指標的抗旱系數(shù)來評價各栽培措施對木薯苗期的抗旱性，則結果不盡相同。

數(shù)據(jù)相關性分析結果表明，各指標之間都存在著或大或小的相關性（表2）。說明它們的作用是相互疊加或相互滲透的，同時各單項指標在木薯苗期抗旱中所起的作用也不盡相同，因此，直接利用這些指標不能準確評價不同栽培措施對木薯苗期抗旱性的影響，故可對變量進行降維。

2.2 主成分分析

為達到獲取主要信息并減少指標數(shù)量的目的，本研究選擇累積方差貢獻率達到85%的幾項主成分作為主要主成分進行綜合評價，結果見表3。

從表3的貢獻率可看出，前3項的累計值已經(jīng)達到87.47%，所以把前3項作為主成分因子，其對應的特征向量為：

第一主成分的方差貢獻率為39.32%，代表了全部指標信息的39.32%，是最重要的主成分。除了可溶性蛋白含量和根冠比與其關系較弱外，其余指標均與第一主成分密切相關，說明第一主成分基本上涵蓋了各指標的主要信息，是綜合因子。

第二主成分的方差貢獻率為30.71%，代表了全部性狀信息的30.71%，是僅次于第一主成分的重要主成分，葉片相對含水量、類胡蘿卜素、可溶性蛋白質含量、可溶性糖含量和根冠比的系數(shù)較大，在第二主成分中最重要。

第三主成分的方差貢獻率為17.45%，代表了全部性狀信息的17.45%，脯氨酸含量、可溶性蛋白含量和總干物質重的系數(shù)較大，在第三主成分中最重要。

上述分析結果表明，本試驗選用的9種測定指標均可作為木薯苗期抗旱性的鑒定指標。

2.3 綜合評價與排名

根據(jù)綜合總評價公式F=39.32%×Fl+30.71%×F2+17.45%×F3，求出4種不同栽培措施對木薯苗期抗旱性排序值（表4）。4種不同栽培措施對木薯苗期抗旱性大小順序為：浸種>保水劑>蠟封>CK。

3 討論

干旱脅迫條件下，植物體內(nèi)會發(fā)生不同程度的生理生化變化，干物率、根冠比、葉片相對含水量、質膜透性、葉綠素、類胡蘿卜素、可溶性糖、脯氨酸、可溶性蛋白含量等一些與抗旱性密切相關的指標可作為抗旱性鑒定指標[23]。李貴全等[24]認為大豆的抗旱性是數(shù)量性狀遺傳，用單一指標難以準確評定其抗旱性。山侖等[25]也指出不同作物品種適應干旱的方式是多種多樣的，一些作物和品種具有綜合的幾種機制共同起作用的抗旱特性，因此，不存在統(tǒng)一的評價作物抗旱性的指標，必須多種指標綜合分析。本試驗也發(fā)現(xiàn)選取的9個指標之間存在著或大或小的相關性，即各指標間表征的信息有一定重疊，單一指標無法準確評價栽培措施對木薯抗旱性的影響。主成分分析可在不損失或很少損失原有信息的前提下，將原來眾多具有一定相關性的指標重新組合成一組新的互相無關的綜合指標來代替原指標，具有全面性、可比性、合理性和可行性的優(yōu)點[26]，本研究利用主成分分析方法將9個單項指標綜合成為3個主成分，其累計貢獻率達87.47%，表示這3個主成分可代表原來9個單項理化指標87.47%的信息，使結果更準確，可信度更高。最后從綜合得分可知，在中度水分脅迫的條件下，4種不同抗旱栽培措施的抗旱效果排序為：2%石灰水浸種>施用保水劑>種莖蠟封>CK。

前人研究結果發(fā)現(xiàn)，Ca是植物生長發(fā)育必需的一種大量營養(yǎng)元素，對穩(wěn)定和保護細胞質膜結構、維護其功能的完整性具有積極作用[27]；Ca還作為第二信使參與干旱信號的傳遞[28]，在啟動、調節(jié)和誘導植物對干旱脅迫適應機制的一系列生理生化反應中具有重要作用[29]。適宜的外源鈣浸種處理能夠提高小麥[30]、玉米[31]、水稻[32]等作物的幼苗抗旱性。一定濃度的石灰水浸種不僅具有外源鈣浸種的抗旱作用，還可在種莖表面上形成一層碳酸鈣薄膜，在一定程度上起著滅菌、封閉切口、減少切口的水分和養(yǎng)分流失等作用[33]；適宜濃度的石灰水浸種能增加種莖的含水量，滿足種莖萌發(fā)所需的生理需水[2]。干旱脅迫下，植物對Ca2+的吸收顯著降低[34]，由此造成植物體內(nèi)Ca2+的缺乏，引起一系列不良反應，適宜濃度的石灰水浸種可中和土壤酸性，促進植株吸收鉀肥，滿足缺鈣土壤上生長的木薯對鈣的需要，活躍土中微生物，加速有機態(tài)氮肥的礦化，減緩干旱脅迫對鈣元素的缺乏，改善木薯的生長發(fā)育。

保水劑是一種具有極高的吸水保水能力的高分子聚合物，能快速吸收和保持高于自身重量百倍甚至千倍的水分，具有一定的保水與持水能力，可增加土壤水勢[35]，降低水分的滲透速度，提高水分利用率和肥料的利用率[36-37]。木薯施用保水劑可減少土壤水分的無效蒸發(fā)、改良土壤結構，提高產(chǎn)量[38-39]。本試驗發(fā)現(xiàn)施用保水劑可提高木薯苗期的抗旱性，這可能與施用保水劑后土壤水勢增加，促進水分向種莖運輸，滿足了木薯種莖萌發(fā)及其苗期生長發(fā)育所需的生理需水和生態(tài)需水要求，這與前人在木薯上的結論一致[40]。另外，本試驗采用的交聯(lián)聚丙烯酸鉀類保水劑，含20%活潑K+，起到增施鉀肥的作用[41]，鉀素也能在一定程度上提高木薯的抗旱能力。

涂膜蠟封是采用無毒無味涂膜劑，通過浸涂、刷涂和噴涂的方法使生物材料表面形成一層薄膜。在果樹嫁接上采用蠟封接穗，可減緩接穗失水，減少病蟲侵害的作用[42]，提高嫁接成活率[43-44]。劉海剛等[6]研究發(fā)現(xiàn)木薯種莖蠟封能在一定程度上防止水分從種莖內(nèi)部散失、抑制呼吸，減少營養(yǎng)流失。但也應該注意蠟封木薯種莖雖能防止水分散失，但同樣具有防止水分和氧氣進入種莖的作用，這對木薯種莖的萌發(fā)和幼苗生長均不利。

綜上所述，2%石灰水浸種在4種栽培措施中對提高木薯苗期抗旱力的效果最為系統(tǒng)，既有鈣離子、氫氧根離子及水分子的作用，還有石灰水的作用等。相反，蠟封種莖措施僅有與石灰水類似的碳酸鈣膜的保水和防養(yǎng)分流失的單一作用，這也是4種栽培措施中2%石灰水浸種效果最佳，而蠟封種莖的栽培措施效果僅優(yōu)于對照的原因。

參考文獻

[1] Burns A， Gleadow R， Cliff J， et al. Cassava： The drought， war and famine crop in a changing world[J]. Sustainability， 2010， 11（2）： 3 572-3 607.

[2] 陸小靜， 劉子凡， 柳紅娟， 等. 含鈣藥劑浸種對木薯產(chǎn)量和品質的影響[J]. 湖南農(nóng)業(yè)大學學報（自然科學版）， 2014， 40（4）： 349-352.

[3] Alves A A C. Cassava botany and physiology[M]//Hil-locks R J， Thresh J M， Bellotti A C. Cassava： Biology， Production and Utilization. New York： CABI Publishing， 2002： 67-89.

[4] 羅興錄. 云大-120浸種對木薯的增產(chǎn)效應[J]. 西南農(nóng)業(yè)學報， 2001， 14（1）： 87-90.

[5] 羅興錄. 不同植物生長調節(jié)劑對木薯生長發(fā)育和淀粉積累影響的研究[J]. 中國農(nóng)學通報， 2002， 18（3）： 30-33.

[6] 劉海剛， 黃 潔， 羅會英， 等. 種莖覆膜、浸水和蠟封對木薯抗旱性的影響[J]. 熱帶作物學報， 2014， 35（4）： 668-672.

[7] 蘇文潘， 羅燕春， 金 剛. 保水劑與多效唑聯(lián)合施用對木薯光合特性的影響[J]. 南方農(nóng)業(yè)學報， 2004， 43（9）： 1 277-1 280.

[8] 馮方劍， 宋 敏， 陳全家， 等. 棉花苗期抗旱相關指標的主成分分析及綜合評價[J]. 新疆農(nóng)業(yè)大學學報， 2011， 34（3）： 211-217.

[9] 沈淵編. SPSS17.0統(tǒng)計分析及應用實驗教程（中文版）[M]. 杭州： 浙江大學出版社， 2013.

[10] 朱宗河， 鄭文寅， 張學昆. 甘藍型油菜耐旱相關性狀的主成分分析及綜合評價[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學， 2011， 44（9）： 1 775-1 787.

[11] 王賀正， 馬 均， 李旭毅， 等. 水稻開花期抗旱性鑒定指標的篩選[J]. 作物學報， 2005， 31（11）： 1 485-1 489.

[12] 白志英， 李存東， 孫紅春， 等. 小麥代換系抗旱生理指標的主成分分析及綜合評價[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學， 2008， 41（12）： 4 264-4 272.

[13] 潘相文， 李文濱， 李艷華， 等. 主成分分析在大豆抗旱性評價上的應用[J]. 大豆科學， 2006， 25（4）： 379-384.

[14] 劉子凡， 黃 潔， 胡體嶸. 中度水分脅迫對木薯葉片光合特性影響[J]. 西南農(nóng)業(yè)學報， 2011， 24（4）： 1 286-1 289.

[15] 張 娟， 張正斌， 謝惠民， 等. 小麥葉片水分利用效率及相關生理性狀基因的染色體定位[J]. 西北植物學報， 2005， 25（8）： 1 521-1 527.

[16] 鄒 琦. 植物生理學實驗指導[M]. 北京： 中國農(nóng)業(yè)出版社， 2000.

[17] 呂淑霞. 基礎生物化學實驗指導[M]. 北京： 中國農(nóng)業(yè)出版社， 2003.

[18] 繳麗莉， 路丙社， 白志英， 等. 四種園林樹木抗寒性的比較分析[J]. 園藝學報， 2006， 33（3）： 667-670.

[19] 舒曉惠， 劉建平. 利用主成分回歸法處理多重共線性的若干問題[J]. 統(tǒng)計與決策， 2004， 20（10）： 25-26.

[20] 白志英， 李存東， 孫紅春， 等. 小麥代換系抗旱生理指標的主成分分析及綜合評價[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學， 2008， 41（12）： 4 264-4 272.

[21] 鐘希瓊， 葉振邦. 綜合評價甘蔗的抗旱性及其抗旱生理指標[J]. 華南農(nóng)業(yè)大學學報， 1996， 17（3）： 81-84.

[22] 周國雁， 伍少云， 隆文杰， 等. 云南省不同小麥資源種子萌發(fā)期抗旱性相關性狀差異及與抗旱指數(shù)、 抗旱系數(shù)的相關性[J]. 華南農(nóng)業(yè)大學學報， 2015， 36（2）： 13-18.

[23] 劉 琴， 孫 輝， 何道文. 干旱和高溫對植物脅迫效應的研究進展[J]. 西華師范大學學報： （自然科學版）， 2005， 26（4）： 364-369.

[24] 李貴全， 社維俊， 孔照勝， 等. 不同大豆品種抗旱生理生態(tài)的研究[J]. 山西農(nóng)業(yè)大學學報， 2003， 2（3）： 197-200.

[25] 山 侖， 陳培元. 旱地農(nóng)業(yè)生理生態(tài)基礎[M]. 北京： 科學出版社， 1998： 1-17， 98-105.

[26] 何曉群. 現(xiàn)代統(tǒng)計分析方法與應用[M]. 北京： 中國人民大學出版社， 1998： 314.

[27] 關軍鋒， 李廣敏. Ca2+與植物抗旱性的關系[J]. 植物學通報， 2001， 18（4）： 473-488.

[28] Xiong L M， Schumaker K S， Zhu J K. Cell signaling during cold， drought， and salt stress[J]. The Plant Cell， 2002， 14（1）： 165-183.

[29] 郭秀林， 劉子會， 李運朝， 等. Ca2+/CaM對玉米干旱信息傳遞的介導作用研究[J]. 作物學報， 2005， 31（8）： 1 001-1 006.

[30] 宋新妍， 張崔燦， 韓曉弟. CaCl2對冬小麥抗旱性影響的研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學， 2009， 37（30）： 14 637-14 638.

[31] 龔 明， 杜朝昆， 許文忠. 鈣和鈣調素對玉米幼苗抗旱性的調控[J]. 西北植物學報， 1996， 16（3）： 214-220.

[32] 許 興， 何 軍， 李樹華， 等. Ca-GA合劑浸種對水稻萌發(fā)及幼苗期抗旱性的影響[J]. 西北植物學報， 2003， 23（1）： 44-48.

[33] 汪廷魁， 崔連珊. 草灰水浸種防病效果及其殺菌原理的探討[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學， 1980， 8（4）： 49-51.

[34] 楊根平， 高向陽， 荊家海. 水分脅迫下鈣對大豆葉片光合作用的改善效應[J]. 作物學報， 1995， 21（6）： 711-716.

[35] 楊永輝， 吳普特， 武繼承， 等. 保水劑對冬小麥土壤水分和光合生理特征的影響[J]. 中國水土保持科學， 2010， 8（5）： 36-41.

[36] 李晶晶， 白崗栓. 保水劑在水上保持中的應用及研究進展[J]. 中國水土保持科學， 2012， 10（1）： 114-120.

[37] 尤 晶， 李永勝， 朱國鵬， 等. 保水劑農(nóng)業(yè)應用研究現(xiàn)狀與展望[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學， 2012， 39（12）： 76-79.

[38] 莫 凡， 羅興錄， 周紅英， 等. 保水劑不同用量對土壤理化性狀和木薯產(chǎn)量的影響[J]. 廣西農(nóng)業(yè)科學， 2010， 41（5）： 459-462.

[39] 劉紀霜， 羅興錄， 樊吳靜， 等. 保水劑對土壤理化性狀和木薯產(chǎn)量影響研究[J]. 中國農(nóng)學通報， 2013， 29（33）： 253-258.

[40] 蘇文潘， 羅燕春， 金 剛， 等. 保水劑與多效唑聯(lián)合施用對木薯光合特性的影響[J]. 南方農(nóng)業(yè)學報， 2012， 43（9）： 1 277-1 280.

[41] 李 楊. 保水劑與肥料及土壤的互作機理研究[D]. 北京： 北京林業(yè)大學， 2012.

[42] 連麗娜， 張 平， 紀淑娟， 等. 果蔬可食性涂膜保鮮研究現(xiàn)狀與展望[J]. 保鮮與加工， 2003， 3（4）： 13-16.

[43] 吳興松. 貯藏溫度、 濕度對棗接穗失水及發(fā)芽的影響初探[J]. 農(nóng)業(yè)科技通信， 2012， 41（12）： 89-90.

[44] 張 林. 金白楊新品種快繁技術研究[J]. 內(nèi)蒙古林業(yè)調查設計， 2013， 36（4）： 69-70.